CN106703812A - 深海钴结壳采矿车 - Google Patents
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Abstract
一种适用于中国地形的深海钴结壳采矿车，包括：双车体框式车身以及设置于车身前端的切削装置和集吸装置、依次设置于车身上的分离仓、矿石储仓以及驱动机构，其中：集吸装置位于切削装置上方。本发明装备作业时将矿区的钴结壳切削粉碎并收集，经过软管运输后矿物颗粒与洋泥于分离仓中分离，收集储存于矿物储仓内，最后经由吸收管运送至水面母船处，作业结束后通过电缆与吸收管回收，具有通用性高，贫化率低，地形适应性较强，安全可靠，成本相对较低等特点。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种水下机器人领域的技术，具体是一种用于深海矿石切削与采集的深海钴结壳矿产资源开采装备。
背景技术
随着陆地上的矿物资源日渐短缺，深海矿产资源的重要性不断提高，已成为各国重要的战略目标。在深海金属矿产资源开采技术和装备的研究中，开采对象是人类至今尚未涉足、地形和环境复杂多变的洋底，开采作业受到风浪、海流、高压及腐蚀等恶劣自然条件的影响，具有很大的不确定性。而地理环境相对其他海域更为复杂，开发的矿产资源已经迫在眉睫。
金属钴是生产各种特殊性能合金的重要原料，例如防腐合金等。海底富钴结壳被认为是钴元素的一个重要来源，富钴结壳的钴含量可达1％，远高于陆地钴矿的含量。目前深海采集富钴结壳的技术可行性已通过海试验证，但还未有成熟装置进行商业开发。
各国当前的深海采矿车仍在研究和试验阶段，还没有用于大规模开采用的成熟产品，国内虽然有过相关研究，但亦尚无详细的深海采矿车整体设计方案，也没有建立系统的深海采矿概念，相关研究仅停留在局部系统的上，整车设计尚不成熟。
发明内容
本发明针对现有水射流方式的结构特点导致的矿物对于射流喷嘴的磨损作用极大，需要频繁更换昂贵的射流喷嘴，以及滚筒式切削方式切削的宽度和开采效率较低的缺陷，提出一种深海钴结壳采矿车，将陆地采矿理论与深海工作环境相结合，根据我国海底钴结壳的地貌进行设计，最终形成系统的整车设计方案，具有良好的经济性和实用性。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括：双车体框式车身以及设置于车身前端的切削装置和集吸装置、依次设置于车身上的分离仓、矿石储仓以及驱动机构，其中：集吸装置位于切削装置上方。
所述的双车体框式车身的前车上设有电缆接口。
所述的双车体框式车身的前车和后车的底部均设有通水网。
所述的切削装置包括：带有机械臂和液压控制装置的三组螺旋式滚筒组。
所述的集吸装置包括：与分离仓相连的收集盖、分别与分离仓和矿石储仓相连的离心泵，其中：收集盖和离心泵均通过软管与分离仓和矿石储仓相连。
所述的驱动机构包括：设置于双车体框式车身底部的履带运动机构以及设置于双车体框式车身两侧的液压推进器。
所述的分离仓和矿石储仓优选分别设置于双车体框式车身的前车和后车。
所述的双车体框式车身上优选进一步设有视频输出装置和立体视频采集装置。
所述的矿石储仓上设有吸收管接口。
技术效果
与现有技术相比，本发明的技术效果包括：
1)在采矿装置部分可根据矿石生长状况的不同选择高压水切削装置或螺旋滚筒式截齿切削，对不同硬度及生长状态的矿石通用性较好。
2)集吸装置采用水力吸扬式采集矿石，可以减少运输中由于部分碾碎的富钴结壳随水流扩散而造成的损失，降低贫化率。
3)供电电缆和通信电缆复合，能够在为装置供电的同时传送大容量高精度的信息，亦可辅助吊放回收。
4)液压推进器调速性优良，易密封，安全可靠，安装位置较为灵活，相对于水下电机而言造价更低。
附图说明
图1为本发明深海采矿车前侧的外形图；
图2为本发明深海采矿车后侧的外形图；
图3为切削装置前侧两臂最可能发生干涉的情况；
图4为机械臂立体简图；
图中：A点为两侧机械臂末端之一，B点为中间机械臂末端；
图5为滚筒尺寸图；
图6为跨越壕能力示意图；
图7为铰接式双车体履带车辆跨越壕沟示意图；
图8为切削装置1去除截齿后的示意图；
图中：切削装置1、集吸装置2、水下电视3、履带运动装置4、分离仓5、铰链6、液压推进器7、电缆接口8、通水网9、离心泵10、矿石储仓11、吸收管接口12、滚筒13、机械臂14、液压控制装置15。
具体实施方式
如图1、2所示，本实施例中的集吸装置2设置于切削装置1上方，集吸装置2的软管通过前后车体延伸至车尾与离心泵10相连，二者均由外部电缆供电。
所述的水下电视3安装在前车车体前端中部，便于观察母船观察实时采矿状态。
所述的履带运动装置4设置于双车体框式车身，由设置于后车两侧所述的液压推进器7为采矿车提供前进动力。全部能源由母船通过前车身顶部电缆接口8输送提供，电缆接口8与后车后部吸收管接口12兼做采矿车的吊放回收系统。
所述的双车体框式车身，其前后两车由铰链6连接，前后车车尾底部均布置有通水网9与海水连通，在高压状态防止出现密闭空间破坏采矿车车体。
所述的分离仓5设置于前车车尾，用于分离洋泥与矿物颗粒，矿石储仓11设置于后车尾部并与所述的分离仓5连接，将集吸装置2运输的矿石暂存于车内，最终通过由吸收管接口12所连接的吸收管提升至水面母船。
如图8所示，所述的切削装置1中滚筒布置方式为三个滚筒组并列设置，其中：第一、第三滚筒组的机械臂14较长，第二滚筒组的机械臂较短，每个滚筒组由两个对转的滚筒13组成。
在切削过程中，相邻两个机械臂之间互不干涉，下面通过临界条件来分析相邻两臂互不干涉的条件，图3所示为最可能发生干涉的情况，图4为机械臂立体简图，图5为滚筒尺寸简图。图中γ为机械臂旋转角，机械臂旋转末端与地面距离为h，则第二滚筒组的机械臂端点距原中心位置的水平距离为a＝h sinγ，第一、第三滚筒组的机械臂的轴向长度为l1，第二滚筒组的机械臂的轴向长度为l2，根据机械臂14之间的几何关系，有：且滚筒13的尺寸满足其中：α1与α2为两相邻机械臂与采矿车对称轴方向夹角，b为相邻两滚筒机械臂首端水平距离，c为滚筒宽度，d为滚筒直径，e为相邻两滚筒轴线前后距离，θ1与θ2分别为两相邻机械臂与水平方向夹角。
考虑以上条件，优选参数为：滚筒宽c＝55cm，滚筒直径d＝15cm，取机械臂旋转远点与地面距离h＝19cm，第一、第三滚筒组的机械臂的轴向长度l1＝55cm，第二滚筒组的机械臂的轴向长度l2＝10cm，相邻两滚筒机械臂首端水平距离b＝45cm，相邻两滚筒轴线前后距离e＝30cm，机械臂最大旋转角γ＝20°。
所述的滚筒上的截齿结构形式为交错排列，这样形成的截槽两侧接近对称，从而保证截齿两侧受力均匀，此外，由于截齿切割截槽时，相邻两截槽已经先行截出，从而降低了截割比能耗。每条截线的截齿数目上限取决于螺旋头数目。本发明中采用四头螺旋，四头螺旋每条截线上可以装一个到三个截齿，当截割头载荷较大时，应考虑减少齿数，考虑到矿物强度，因此，采用每线两齿较为合适。螺旋滚筒的最佳螺旋线升角可由以下公式得出：其中：ρm为矿石与滚筒螺旋线的摩擦角，即ρm＝arctan fm；fm为矿石与滚筒螺旋线间的动摩擦系数。岩石的摩擦系数与岩石种类及岩石表面湿润程度相关，优选为0.25-0.45，取fm＝0.35为例，则有：αap＝0.617，即35.35°。
本实施例中截齿安装方式优选为径向安装，从而兼顾在截割深度大于6-8mm时的强度、耐磨和能耗比的要求，同时应易于安装。径向安装时，截齿轴线沿滚筒平面法线方向。
所述的截齿的截角、后角和截刃宽度对截割比能耗和截齿载荷影响较大，优先优化这些几何参数。整体而言，截割阻力随截角增大有增加的趋势，在截角δ<90°时显得更为突出，这是由于刀头向下的挤压作用增加，碎石难以排出，但刀头强度也随着截角增大而提升，开采硬岩的截齿截角一般取δ>90°，这里选用100°作为截齿截角。后角对于截割阻力和牵引阻力有着一定的影响，但只在后角r<10°时影响较为明显，而后角越小，截齿后部与岩体的接触面积增大，截割阻力和牵引阻力均增大，因此，截齿后角不应小于10°，这里采用10°作为截齿后角。截刃宽度增加时，截割阻力不断增大，截割比能耗会先降低至最低值，然后增加至一稳定值，从截割比能耗最低值出发，选用20mm-35mm的截刃宽度较为合适，本发明选用25mm作为截刃宽度。
所述的集吸装置2的车前部分包括滚筒上部的收集盖和其后方的输送软管，当切削装置1将钴结壳颗粒切割破碎后，两个滚筒相对旋转，易于依靠惯性把颗粒输送至滚动上部的收集盖，在惯性力和后方的泵吸力的作用下，矿物颗粒混合洋泥进入集吸装置2的输送软管。矿物颗粒和洋泥通过输送软管进入前车车身分离舱5，洋泥与矿物颗粒分离，矿物颗粒进入矿石储仓11，而洋泥即随流动从前车通水网9排出采矿车；该集吸装置2通过水力吸扬方法集吸，0.1mm以下粒级含量约为3.2％，不会造成分离仓5中固液分离的困难。矿石颗粒进入矿石储仓11后，通过吸收管接口12连接母船将矿物颗粒提升至水面上。
所述的水下电视3应用于定位与导航，使用造价低廉的普通光水下黑白电视，由两只摄像头组成立体摄像系统，在观察到目标的同时亦可感测目标的距离和厚度，便于了解采矿车的工作状态及切削状况。
所述的液压推进器7采用液压马达，受流量控制因此可对采矿车的推进实现较大调速范围的无级调速，为采矿车提供运转动力。采矿车作业结束后，可由电缆接口8及吸收管接口12处的缆索将采矿车回收至水面母船完成作业。
对于双车体铰接履带式车辆，其最大越壕能力除了受各车体重心位置行动装置履带着地长诱导轮主动轮高度和履带上升角的影响，还受到连接前后车体的铰接机构几何参数的影响。原则上，铰接式车辆在越壕时存在临界过程，前车的临界驶入过程，后车的临界驶出过程和上角的临界过程。这里的上角指的是前车俯仰角与后车俯仰角的和。铰接装置的连接使双车体车辆的整体长度加大，在前车的临界驶入过程中，重心铅垂线与壕壁边缘重合时，正好支撑在行动装置上，如图6所示。在壕壁边缘分别支撑负重轮和引导轮的情况下，前车的临界驶入过程对应的临界壕沟宽度为Ldf，后车的临界驶出过程与前车的临界驶入过程情况相似，对应的临界壕沟宽度为Ldr，当前车体重心铅垂线与一侧壕壁边缘重合，后车体重心铅垂线与另一侧壕壁边缘重合时，存在一个越壕临界宽度Ld。此时，前上V角α，后上V角β，铰接机构固定长度lm等几何参数将影响Ld的长度，如图7所示。三者中的最小值决定了铰接式双体车的越壕能力，即L＝min(Ldf,Ldr,Ld)。考虑到主动轮高度和履带上升角的大小，可计算出我们采矿车最大越壕长度为7.7m，即是此范围之内的壕沟在工作区域范围。
本装置通过以下方式进行工作：由水面母船将采矿车吊放至钴结壳矿区，履带式行走方式可根据中国复杂的海底地况平稳越障、爬坡、越沟。在采矿车前进的同时，由滚筒式切削装置1从矿床上切削得到钴结壳颗粒，由泵吸式集吸装置2输运至采矿车本体，在矿石储仓11中进行清洗脱泥和后续工作。其中切削装置1由三组滚筒，其中：三组滚筒在车长方向上交叉排布，保证切割区域无死角。每组两个滚筒装置转动方向相反，轴线平行。每组滚筒装置由具有二自由度的机械臂与车体前部进行连接，能耗小，控制简单，克服了一般滚筒切削的适应微地形能力不强的缺点，保证了在地形起伏矿区的切割效率，大大减小开采的贫化率。
按采矿车作业宽度为2.4m，钴结壳平均厚度为8cm，回收率80％进行计算。若要将采矿车应用于商业开采，保证可靠性是一个关键因素，每年实际运行时间应在235-275天左右，以250天工作时间进行计算。钴结壳密度一般为1.8t/m3。年产量Q可按下式进行计算：Q＝t×v×b×d×γ×ρ，式中d为钴结壳平均厚度，t为采矿车车每年作业天数，v为采矿车行走速度，b为车宽，γ为回收率，ρ为富钴结壳密度，带入t＝250，v＝24，b＝2.4，d＝0.08，ρ＝1.8，γ＝0.8得Q＝119.4万吨。根据John E.Halkyard分析，每次采矿车方案的实际生产能力的价值底线是一百万吨每年，基岩对钴结壳的贫化率应控制在50％以内。根据上面计算，此方案在年产量以及贫化率上均达到了商业开采的要求。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (10)
1.一种深海钴结壳采矿车，其特征在于，包括：双车体框式车身以及设置于车身前端的切削装置和集吸装置、依次设置于车身上的分离仓、矿石储仓以及驱动机构，其中：集吸装置位于切削装置上方；
所述的切削装置包括：带有机械臂和液压控制装置的三组螺旋式滚筒组；
所述的集吸装置包括：与分离仓相连的收集盖、分别与分离仓和矿石储仓相连的离心泵，其中：收集盖和离心泵均通过软管与分离仓和矿石储仓相连。
2.根据权利要求1所述的深海钴结壳采矿车，其特征是，所述的分离仓和矿石储仓分别设置于双车体框式车身的前车和后车。
3.根据权利要求1所述的深海钴结壳采矿车，其特征是，所述的双车体框式车身，其前后两车活动连接，前后车车尾底部均布置有通水网与海水连通。
4.根据权利要求1或2或3所述的深海钴结壳采矿车，其特征是，所述的分离仓设置于前车车尾，用于分离洋泥与矿物颗粒，矿石储仓设置于后车尾部并与所述的分离仓连接，将集吸装置运输的矿石暂存于车内，最终通过由吸收管接口所连接的吸收管提升至水面母船。
5.根据权利要求1所述的深海钴结壳采矿车，其特征是，所述的驱动机构包括：设置于双车体框式车身底部的履带运动机构以及设置于双车体框式车身两侧的液压推进器。
6.根据权利要求1所述的深海钴结壳采矿车，其特征是，所述的切削装置为三个滚筒组并列设置，其中：第一、第三滚筒组的机械臂较长，第二滚筒组的机械臂较短，每个滚筒组由两个对转的滚筒组成。
7.根据权利要求6所述的深海钴结壳采矿车，其特征是，所述的滚筒上的截齿结构形式为交错排列，并采用四头螺旋，每条截线上设置一个到三个截齿。
8.根据权利要求6所述的深海钴结壳采矿车，其特征是，所述的滚筒的最佳螺旋线升角满足：其中：ρm为矿石与滚筒螺旋线的摩擦角，即ρm＝arctanfm；fm为矿石与滚筒螺旋线间的动摩擦系数。
9.根据权利要求7所述的深海钴结壳采矿车，其特征是，所述的截齿为径向安装，截齿轴线沿滚筒平面法线方向。
10.根据上述任一权利要求所述的深海钴结壳采矿车，其特征是，所述的机械臂之间的几何关系满足且滚筒的尺寸满足其中：l1为第一、第三滚筒组的机械臂的轴向长度，l2为第二滚筒组的机械臂的轴向长度，α1与α2为两相邻机械臂与采矿车对称轴方向夹角，b为相邻两滚筒机械臂首端水平距离，c为滚筒宽度，d为滚筒直径，e为相邻两滚筒轴线前后距离，θ1与θ2分别为两相邻机械臂与水平方向夹角，γ为机械臂最大旋转角，第二滚筒组的机械臂端点距原中心位置的水平距离为a＝hsinγ，h为机械臂旋转末端与地面距离。
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